缓冲区分析及应用

重庆交通大学《GIS原理及应用》课程设计报告书

专业：测绘工程

设计课程名称：《地理信息系统原理及应用》

题目：基于ArcGIS缓冲区分析、叠加分析及应用班级：2010级01班

设计者：学号：

指导教师：

完成时间：2013年6月16日至2013年6月27日

重庆交通大学《GIS原理及应用》课程设计任务书

课程GIS原理及应用班级测绘1班指导教师

题目GIS缓冲区分析及应用同组人数1-7人

课程设计要求1、了解GIS缓冲区分析的基本原理及算法。

2、了解GIS缓冲区分析的相关应用。

3、相关实例解决——休闲农业区建立和市区住房分析问题。

4、分析问题——怎样利用GIS缓冲区建立来解决该实际问题。

5、解决问题——基于ArcGIS软件缓冲区分析、叠加功能解决该问题。

(1) 数据矢量、栅格之间的转换；

(2）缓冲区建立，叠加分析；

(3) 综合分析得出成果。

6、结合成果进行相关评价。

课程设计报告书要求设计报告主要包括内容：

1、课程设计目的；

2、课程设计任务及内容；

3、课程设计使用数据说明；

4、课程设计思路及技术流程；

5、课程设计实现的详细步骤；

6、课程设计成果分析讨论及成果展示；

7、课程设计体会（包括取得的成效及主要收获、存在的主要问题及对教学工

作的建议）

8、参考文献

要求：

?学生完成课程设计后，每个同学均应提交课程设计报告及数据；

?设计报告要求文字通畅，排版规范；

?设计报告文字原则上不少于5000字，并装订成册。

上机时间安排

星期

周次

一二三四五六日第17周1-4 1-4 1-4 1-4 1-4 自定自定第18周1-4 1-4 1-4 1-4 1-4 自定自定

指导地点及考1、指导地点：测量与空间信息处理实验室

2、考核时间：第18周星期五上午（答辩方式考核，学生用PPT汇报及演示）

版面要求1、题目用黑体三号，段后距18磅（或1行），居中对齐；

2、标题用黑体四号，段前、段后距6磅（或0.3行）；

3、正文用小四号宋体，行距为固定值“20”，程序代码用固定值“15”；

4、标题按“一”、“㈠”、“1”、“⑴”顺序编号。

核时间

重庆交通大学《GIS原理及应用》课程设计评分表

序

号

项目评分标准及说明评分

1 学生自评分（20%）按任务书的要求，学生根据任务完成情况及质量自我评分。多人一组共同完成者，19-20分不超过1人，17-18不超过2人，由组长评分（多人一组独立完成者按独立完成定）。

2 纪律及平时成绩

（10%）

按规定时间到实验室完成实验及综合实验，每缺1次

实验扣2分，缺4次及以上不得分。

3 系统演示（功能）

及答辩（40%）

根据学生PPT汇报、系统

演示及回答问题情况，由

答辩组(老师)给出答辩等

级(直接在此评分表中打

“√”)，指导教师按等级

相应分值打分

答辩等级分值

A+39-40

A 38

A-36-37

B+ 34-35

B 32-33

B- 30-31

C+ 28-29

C 26-27

C- 24-25

D 0-23

4 项目设计报告

（30%）

根据学生完成的项目设计

报告书情况，由指导教师

给定等级(直接在此评分

表中打“√”)及成绩（特

别提醒：设计报告相同者

均记0分）

答辩等级分值

A+30

A 28-29

A-27

B+ 25-26

B 23-24

B- 21-22

C+ 20

C 19

C- 18

D 0-17

指导教师：总分：

目录

一、课程设计目的.........................................................................................................- 6 -

二、课程设计内容及任务.............................................................................................- 6 -

（一）缓冲区分析..................................................................................................- 6 - （二）叠加分析......................................................................................................- 8 - （三）主要任务......................................................................................................- 9 -

三、课程设计分析.........................................................................................................- 9 -

四、课程设计使用数据说明.......................................................................................- 10 -

五、课程设计思路及技术流程................................................................................... - 11 -

（一）设计思路.................................................................................................... - 11 - （二）实例一：技术流程图................................................................................- 13 - （三）实例二：技术流程图................................................................................- 14 - 六、课程设计实现的详细步骤...................................................................................- 15 -

实例一:雅安市休闲农业区的规划设计分析......................................................- 15 - 实例二:市区择房分析..........................................................................................- 35 -

七、课程设计成果展示及成果分析讨论...................................................................- 48 -

7.1 成果展示：....................................................................................................- 48 -

7.2 成果分析........................................................................................................- 49 -

八、课程设计体会.......................................................................................................- 49 -

8.1 取得的成效及主要收获................................................................................- 49 -

8.2 存在的主要问题............................................................................................- 50 -

8.3 对教学工作的建议........................................................................................- 50 -

九、参考文献...............................................................................................................- 51 -

一、课程设计目的

GIS原理课程设计是测绘工程专业的专业课实践环节，是《地理信息系统原理及方法》课程教学的重要组成部分，是巩固和深化课堂教学内容的重要步骤，是培养学生动手能力和实践的有效手段。

通过基于ArcGIS10.0软件进行的缓冲区分析、叠加分析及应用的课程设计，掌握地理信息系统的基本原理，对于缓冲区的建立和分析在实际生活中的选址以及影响范围的确定有一定的认识，同时通过熟练对AcrMap和AcrCatalog的操作，能借助于ArcGIS软件进行基本的地理信息空间分析与操作。

二、课程设计内容及任务

（一）缓冲区分析

1、什么是缓冲区分析

缓冲区分析(Buffer)是对选中的一组或一类地图要素（点、线或面）按设定的距离条件，围绕其要素而形成一定缓冲区多边形实体，从而实现数据在二维空间得以扩展的信息分析方法。缓冲区应用的实例有如：污染源对其周围的污染量随距离而减小，确定污染的区域；为失火建筑找到距其500 米范围内所有的消防水管等。下面着重介绍缓冲区原理及其在 ArcGIS 中的实现。

2、缓冲区的基础

缓冲区是地理空间，目标的一种影响范围或服务范围在尺度上的表现。它是一种因变量，由所研究的要素的形态而发生改变。从数学的角度来看，缓冲区是给定空间对象或集合后获得的它们的领域，而邻域的大小由邻域的半径或缓冲区建立条件来决定，因此对于一个给定的对象A，它的缓冲区可以定义为：

{}r

P≤

,

(

=)

A

x

x

d

（d一般是指欧式距离，也可以是其它的距离，其中r为邻域半径或缓冲区建立的条件）

缓冲区建立的形态多种多样，这是根据缓冲区建立的条件来确定的，常用的对于点状要素有圆形，也有三角形、矩形和环形等；对于线状要素有双侧对称、双侧不对称或单侧缓冲区；对于面状要素有内侧和外侧缓冲区，虽然这些形体各异，但是可以适合不同的应用要求，建立的原理都是一样的。点状要素，线状要素和面状要素的缓冲区示意图如图1。

图1 点、线和面状要素的缓冲区

3、缓冲区的建立

从原理上来说，缓冲区的建立相当的简单，对点状要素直接以其为圆心，以要求的缓冲区距离大小为半径绘圆，所包容的区域即为所要求区域，对点状要素因为是在一维区域里所以较为简单；而线状要素和面状要素则比较复杂，它们缓冲区的建立是以线状要素或面状要素的边线为参考线，来做其平行线，并考虑其端点处建立的原则，即可建立缓冲区，但是在实际中处理起来要复杂的多。按照其建立的原理来可以介绍如下：

1. 角平分线法该算法的原理是首先对边线做其平行线，然后在线状要素的首尾点处，作其垂线并按缓冲区半径r 截出左右边线的起止点，在其它的折点处，用与该点相关联的两个相邻线段的平行线的交点来确定，如图2：

该方法的缺点是在折点处，无法保证双线的等宽性，而且当折点处的夹角越大，d 的距离就越大，故而误差就越大，所以要有相应得补充判别方案来进行校正处理。

凸角圆弧法该算法的原理是首先对边线做其平行线，然后在线状要素的首尾点处，作其垂线并按缓冲区半径r 截出左右边线的起止点，然后以r 为半径分别以首尾点为圆心，以垂线截出的起止点为圆得起点和终点作半圆弧，在其它的折点处，首先判断该点的凹凸性，在凸侧用圆弧弥合，在凹侧用与该点相关联的两个相邻线段的平行线的交点来确定。如图3：

图2 角平分线法图3 凸角圆弧法

该方法在理论上保证了等宽性，减少了异常情况发生了概率，该算法在计算机

实现自动化时非常重要的一点是对凹凸点的判断，需要利用矢量的空间直角坐标系的方法来进行判断处理。

在ArcGIS 中建立缓冲区的方法是基于生成多边形（buffer wizard）来实现的，它是根据给定的缓冲区的距离，对点状、线状和面状要素的周围形成缓冲区多边形图层，完全是基于矢量结构，从操作对象、利用矢量操作方法建立缓冲区的过程到最后缓冲区的结果全部是矢量的数据。

4、矢量数据缓冲区建立方法

1）点要素的缓冲区

点要素的缓冲区是以点要素为圆心，以缓冲区距离R为半径的圆，包括单点要素形成的缓冲区、多点要素形成的缓冲区和分级要素形成的缓冲区等。

2）线要素的缓冲区

为了加快缓冲区建立的速度，通常要在建立缓冲区之前，对线进行化简，这种对线的化简称为线的重采样。具体的算法设计可以采用线的矢量数据压缩算法。

线要素的缓冲区是以线要素为轴线，以缓冲距离R为平移量向两侧作平行曲（折）线，在轴线两端构造两个半圆弧最后形成圆头缓冲区。

3）面要素的缓冲区

面状目标的缓冲区分析，是线目标的一种首尾相接的特殊情况。只需在面目标的外侧配置缓冲区多边形即可。

5、栅格数据缓冲区建立方法

栅格数据的缓冲区分析通常称为推移或扩散，推移或扩散实际上是模拟主体对邻近对象的作用过程，物体在主体的作用下沿着一定的阻力表面移动或扩散，距离主体越远所受到的作用力越弱。

例如：可以将污染源（如化工厂，造纸厂）作为主体，而地形、障碍物和空气作为阻力表面，用推移或扩散的方法计算污染物（物体）离开工厂（主体）后在阻力表面上的移动，得到一定范围内每个栅格单元的污染强度。

栅格数据结构的点、线、面缓冲区的建立方法主要是像元加粗法，以分析目标生成像元，借助于缓冲距离R计算出像元加粗次数，然后进行像元加粗形成缓冲区。（二）叠加分析

1、什么是叠加分析

叠置分析是地理信息系统中用来提取空间隐含信息的方法之一。叠置分析是将代表不同主题的各个数据层面进行叠置产生一个新的数据层面，叠置结果综合了原来两个或多个层面要素所具有的属性。

2、叠加分析的作用

叠置分析不仅生成了新的空间关系，而且还将输入的多个数据层的属性联系起来产生了新的属性关系。叠置分析要求被叠加的要素层面必须是基于相同坐标系统的相同区域，同时还必须查验叠加层面之间的基准面是否相同。

3、叠置分析的分类

从原理上说，叠置分析是对新要素的属性按一定的数学模型进行计算分析，其中往往涉及到逻辑交、逻辑并、逻辑差等的运算。根据操作要素的不同，叠置分析可以分成点与多边形叠加、线与多边形叠加、多边形与多边形叠加；根据操作形式的不同，叠置分析可以分为图层擦除、识别叠加、焦急操作、对称区别、图层合并、修正更新和空间联合。

（三）主要任务

实例一：针对本次课程设计所选定的题目《ArcGIS缓冲区分析、叠加分析及应用》，借助于ArcGIS 10.0软件，选取热点话题旅游业的发展，对于该行业的新型发展模式休闲农业区的建立，针对雅安市的景点分布、农业分布及地理位置，通过缓冲区的建立以及叠加分析，综合人口分布等因素，最终确定出雅安市休闲农业区的建址的最佳方案。

实例二：选择另外一个热点话题，房地产方面关于市区择房的分析。这个实例主要是进行栅格数据的分析练习，所以需要在ArcGIS软件中学会怎样进行矢量到栅格的数据转换，然后根据所设定的基本的择房要求，开展栅格数据的缓冲区分析和叠加分析，最终选择适宜的区域购房。

三、课程设计分析

随着社会的发展，位址选址的重要性日益突出，如何对各类位址进行选址。怎样才能选出最佳位址仍然是大家十分关注的问题。传统选址模型是基于统计的静态模型，其选址方法一般是先建立一个模型，然后经过一系列的计算得出选址点的位置。这种选址的数学模型往往考虑的不是很全面，在本次课程设计中，将针对我国近年来发展迅猛的旅游业和房地产行业展开分析，选取新型旅游产业模式——建立休闲农业区，通过进行缓冲区分析和叠加分析，最终确定出最佳的选址方案。针对城市居民的需求，按照一定的约束条件，选取适宜地段做购房选址。

实例一：从旅游业的情况来看，作为我国的第三产业中的主流，旅游业的发展可以说近年来的势头相当足，随着经济的发展和人们生活水平的提高，越来越多的人选择在假期出行旅游。我国城市具名以城市周边为目的地的近距离旅游日益增加，特别是在近年国家出台假期期间七座以下小型客车高速免费通行的政策后，游客出游流量更为集中。休闲农业是指在农村范围内，利用农业自然环境、田园景观、

农业生产、农业经营、农耕文化、农家生活等旅游资源，通过科学规划和开发设计，为游客提供观光、休闲、度假、体验、娱乐、健身等多项要求的旅游经营活动（比如农家水果自己采摘等一些亲近自然的农家活动都受到旅游者的亲睐），对于整日面对钢筋水泥的城市居民而言，短暂的农家闲适生活其实也是不错的放松方式，而休闲农业区俨然也就成为了城市人群不可多得的亲近自然放松的场所，从很多的文献中大致能得到这样的信息，休闲农业的发展很大程度上依托于与其毗邻的景区的游客数量，景点的热度直接影响其发展。而且针对假期一般较短的特点，城市居民的出行一般就近为多数；其次，人口密度的分布很大程度上也决定着休闲农业区的发展前景。因此，本次课程设计针对雅安市主要旅游景点的分布，以及各区县的人口分布状况最终选择出最佳方案来建立休闲农业区。

实例二：如今发展的较为迅猛的经济行业，排在首要位置的当数房地产行业。住房话题可以说是比较热门的，对于生活水平逐渐提高的城市居民而言，对于住房的要求已经有所改变，不再是局限于有房住就好，所以针对这样的问题，会设定一系列的住房要求，根据这些要求进行选址。

对于居住，如何找到环境好、购物方便、小孩上学方便的居住区地段是购房者最关心的问题，因此从购房者的角度出发，通过缓冲区分析和叠加分析，从总体上对商品房的信息进行研究分析，选择最适宜的购房地段。根据已有实验数据，本次课程设计将利用专业的地理信息系统软件ArcGIS对某一市区的住房进行择优分析。择房所寻求的区域是噪声要小，距离商业中心和学校要近，同时需要居住环境优雅离名胜古迹较近。

四、课程设计使用数据说明

本次课程设计实例一选用的数据来自网上下载的雅安市行政区划图、旅游景点分布图、农业产业分布图，其格式全部为“.*jpg”格式。将数据全部导入ArcGIS 10.0平台，经过矢量化编辑初步处理，在新建的地理数据库图层中提取出相关的点、线、面要素，然后将矢量化后的数据进行缓冲区分析和叠加分析。同时还收集到雅安市第六次人口普查各区县的人口分布情况表，涵盖各区县的人口总数以及人口密度百分比。实例二的数据是选自实验教材所提供的某市的市区图，由于此数据是矢量数据，所以需要在ArcGIS中进行转换为栅格数据，然后再通过设定的住房要求，对栅格数据进行缓冲区分析和叠加分析，最终确定出最佳的择房区域。

五、课程设计思路及技术流程

（一）设计思路

实例一：

1、数据收集

针对本次课程设计的实例，休闲农业区的最佳地址选择，通过网络或者其他的途径收集到如下资料，雅安市主要旅游景点分布图，雅安市区县行政图，雅安市农业发展分布情况及雅安市各区县人口数量及人口密度情况表。

2、数据矢量化处理

将收集到的图形数据（行政区划图、景点分布图、农业分布图）导入ArcGIS 10.0平台，由ArcGIS 10.0软件首先将数据进行矢量化，其间包括在ArcCatalog 中建立个人地理数据库，并在所建地理数据库中建立相应的点、线、面图层，然后在ArcMap添加图层，提取相关点、线、面数据，并且通过添加字段，增加图层的属性数据，其他操作还包括“数据框属性”的修改等等一系列空间分析的前期处理。

3、缓冲区分析及叠加分析

利用ArcGIS 10.0空间数据的管理分析功能，对已进行处理的数据，根据不同的要求建立缓冲区，进行景点影响范围，农业区覆盖范围的缓冲区分析以及河道影响范围的缓冲区建立，并对按照各种要求建成后的缓冲区进行叠加分析，对于河道应该取缓冲区以外的安全区域进行叠加分析。初步确定出最佳的选址方案。

4、最终结果确定

对初步确定的选址方案，应该结合雅安市的人口密度分布情况进行综合分析，主要是根据人口数量的大小对所建缓冲区的发展前景进行估计分析，最终确定出最佳的休闲农业区建立地址的方案。

实例二：

1、数据收集

对于栅格数据的空间分析这个应用，由于没有收集到合适的栅格数据，所以利用了实验指导书提供的一个矢量数据Chp7\Ex_1，通过ArcGIS软件，进行矢量到栅格的转换，以这样的方式来得到实验所用的栅格数据。

2、数据栅格化处理

将收集到的矢量数据（城市市区交通网络图（network.shp）、商业中心分布图（Marketplace.shp）、学校分布图（school.shp）、风景名胜分布图（famous place.shp）），导入ArcGIS 10.0平台，由ArcGIS 10.0软件首先将矢量数据进

行转换为栅格数据，包括点、线、面各种要素类的转换。同时进行“数据框属性”的修改等等一系列空间分析的前期处理。

3、缓冲区分析及叠加分析

利用ArcGIS 10.0空间数据的管理分析功能，对已进行矢栅转换得到的栅格数据，根据不同的要求建立缓冲区，进行噪声景点影响范围，学校影响覆盖范围以及商业中心的影响范围和名胜古迹的影响范围的缓冲区分析，并对按照各种要求建成后的缓冲区进行叠加分析，对于噪声应该取缓冲区以外的安静区域进行叠加分析。初步确定出最佳的选址方案。

4、最终结果确定

本次课程设计所得到的仅仅是针对几个比较典型的住房需求初步筛选的理想购房区域选择方案，在后期的处理中，如若想要得到更精确的住房选址，那么可以对初步确定的选址方案，结合其他一些限定条件，例如房地产价格，交通便利与否，是否是闹市区，离工作地点远近等进行综合分析，最终确定出最佳的，能够比较全面满足购房者需求的择房方案。

原始数据获取 数据处理 建立缓冲区 叠加分析 初步选择 综合分析 最终选择

矢量化 建立属性数据库 供选择区域 人口分布 人口分布资料获取 初始选择数据 其他因素考虑 景点缓冲区 农业缓冲区 河道缓冲区

矢量数据

景点栅格化学校缓冲区

栅格化

商业中心栅格化

主干道栅格化

景点缓冲学校缓冲

建立缓冲区

主干道缓冲区商业中心缓冲区

叠加分析

点要素叠加成果线要素缓冲区

初步选择

其它要素

综合分析

最终选择

六、课程设计实现的详细步骤

实例一:雅安市休闲农业区的规划设计分析

1、原始数据矢量化

将网上下载的相关原始数据，包括雅安市区县行政图、雅安市农业分布图及旅游景点分布图（如图1.1）导入ArcGIS 10.0软件中，进行矢量化的点、线、面编辑，提取出雅安市的市级边界，将主要景点和每个县的主要农业以分布的形式矢量化，结果如图1.2所示：

行政区划图农业分布旅游景点分布

图1.1 原始数据

1）矢量化流程：

原始地图

地图扫描数字化

图像二值化处理

地理配准

新建图层

图形矢量化

图1.2 矢量化流程图

2）主要操作：导入ArcGIS中数据均为“.*jpg”格式图片，在对原始数据进行初步处理后，打开ArcCatalog，首先添加数据存储的文件夹，右键单击已连接的文件夹，选择“新建”，在扩展的选项框中选择“个人地理数据库”，以学号命名，如图1.3所示。

（注：新建图层的目的是便于将地形图上的复杂地物和地形分门别类的归纳到每一个图层，便于后期对某一类数据进行查询分析以及使用，对于专题地图等的制作以及需要通过地形图的分析来做决策时在很大程度上可以提高效率）

图1.3 建立个人地理数据库

在所建立的数据库中，建立图层要素，右键单击以学号命名的数据库，选择新建”要素类“创建图层。在所建五个图层中同时选用“高斯-克吕格 Beijing1954 34度带投影”，包括两个点图层，两个线图层和一个面图层，如图1.4。

（注：要素（*.shp文件）导入到数据库中，则变为要素类，多个要素类组成要素集，多个要素集组成数据库。建立要素集时要选择投影信息，在同一要素集中的要素类具有相同的投影信息。建立的每个图层的坐标配置应该与地形图一致。为方便起见，建立图层时，注意图层坐标系的选择应与图像坐标系选择一致）

图1.4 数据库及图层建立

在ArcMap中将已经建立的图层添加到图层列表中，右键单击“图层”，通过添加数据的方式，选取在ArcCatalog中以学号命名的个人地理数据库下建立的点、线、面图层添加，如图1.5。

图1.5 图层添加到ArcMap 中 图层添加完成后，对每个图层进行矢量化操作，“农业点”和“景点”均属于点图层，图层矢量化之前，添加相应的属性字段，右键单击景点图层，在弹出的右键菜单中单击“打开属性表”，在弹出的对话框中单击左上角图标，在下拉列表中选择“添加字段”，类型选择“文本”，以同样方式添加“景点名称”和“所属区县”属性，同样的方式编辑“边界”和“市区范围”图层属性，完成后开始矢量化跟踪。

逐个添加景点，编辑完成后，右键单击景点图层，选择“打开属性表”，查看所编辑的景点，输入相应的景点名称和景点所属区县的名字，编辑后的属性表和景点矢量化成果如图1.6所示。

图1.6 景点图层属性表及矢量化结果

按照同样的方法，进行农业分布点图层矢量化，成果如下图1.7所示：

图1.7 农业分布图层属性表及矢量化结果

随后进行“边界”和“市区范围”编辑，线状要素主要是节点编辑，选择构造工具为“线”。面状要素编辑方法是通过编辑面状要素的边界，首位两点连接自动生成面状要素，窗体右边出现的“创建要素”窗口中，构造工具选择，线状要素矢量化成果如图1.8所示。

图1.8 线状要素矢量化成果

图1.9 矢量化后图形

（说明：矢量化图中“”表示主要景点，“”表示主要农业分布点，其中农业涵盖茶业、竹业以及果蔬业等。“”表示雅安市边界，“”表示雅安市面积范围）

2、数据缓冲区的建立与分析

根据已有的矢量化数据进行选址，首先考虑景区因素的影响。根据景区的热度以及国家新的假期政策缩短了假期休息时间，因此考虑到居民外出旅游的近距性以及自驾游的可达性，在本次课程设计中对所选景区进行半径为25km的缓冲区分析。具体操作方法如下：

主要操作：（1）根据缓冲区的建立要求，首先选择需要编辑的景点图层进行缓冲区处理。单击图标，打开ArcToolbox，由于景点是点要素，所以在打开的工具栏中依次选取“分析工具”→“邻域分析”→“多环缓冲区”，弹出如图1.10对话框，在此对话框中选择输入要素为，选择输出位置（注：一般选取在建立数据库的同一文件夹下，主要是方便查找），在距离选项栏中输入前文已经设定的25km的缓冲区范围（注：此处注意选取缓冲区单位为Kilometers，字段名和融合选项可以采用默认值），最后确定，建立的缓冲区成果如图1.12：

图1.10 缓冲区对话框

说明：多环缓冲区——在输入要素周围的指定距离内创建多个缓冲区。使用缓冲距离值可随意合并和融合这些缓冲区，以便创建非重叠缓冲区。

图1.11 多环缓冲区原理图

用法：1、此工具将创建临时数据。这些临时数据将写入到在Scratch_workspace 环境设置中指定的位置。如果未设置“临时工作空间”环境，则临时数据将写入到 TEMP 系统变量所定义的位置。

2、如果输入要素未定义空间参考，则输入要素类的距离单位未知。因此，如果输入要素不具有空间参考，则会忽略缓冲区单位参数（例如米、英尺）。